專利名稱：復(fù)合材料的公用電線桿及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及一種公用電線桿。更具體地，本發(fā)明涉及由復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)塑料(FRP)作的公用電線桿。尤其是，本發(fā)明不僅涉及利用最少量FRP材料制造能提供所需預(yù)選長(zhǎng)度的FRP公用電線桿的制造方法，而且也涉及利用該方法制造的桿。
輸電線、電話線及電燈裝置常常被支承在公用電線桿上。這種電線桿必須能不僅承受由被支承物體的重量施加的柱向負(fù)載而且能承受由偏心負(fù)載及由風(fēng)施加的彎曲負(fù)載。一般而言，木材桿、混凝土桿或鋼桿在歷史上曾被用于這種目的。這些桿全都很重并且每種均有一些獨(dú)特的缺點(diǎn)。
例如，木材桿會(huì)遭到腐蝕-即由細(xì)菌或霉菌的作用及害蟲(chóng)如鑿木蟲(chóng)及啄木鳥(niǎo)的攻擊產(chǎn)生腐蝕。不利的是，木材桿的地面處或地下部分易于被腐蝕，由此會(huì)產(chǎn)生桿的斷裂或倒塌，有時(shí)沒(méi)有任何預(yù)示。為了有助于抵抗這類損壞，通常用化學(xué)劑來(lái)處理木材桿，力圖延長(zhǎng)木材桿的使用壽命。但是化學(xué)防腐劑會(huì)滲出桿外并使當(dāng)?shù)氐叵滤芪廴?。此外，化學(xué)防腐劑不是持久的，如果在該領(lǐng)域中能夠有效地處理木材桿的話，那也是極其困難的。
鋼桿會(huì)生銹，因此需要定期的檢查及維修。防銹復(fù)合劑的使用也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有害的作用。即使環(huán)境問(wèn)題能解決，鋼桿還是很重并不易于操作。此外，鋼桿是導(dǎo)電的，即使極其小心地使電裝置與桿相絕緣，但日常的風(fēng)暴破壞會(huì)使桿帶電。還有，鋼桿是一種昂貴的材料。
混凝土桿比鋼桿更重。其后果是運(yùn)輸及操作混凝土公用電線桿的費(fèi)用更大。因此它們常在豎立現(xiàn)場(chǎng)非常接近的地方被制作出來(lái)。混凝土桿，象上述木桿及鋼桿那樣，也遭受環(huán)境的破壞，尤其是結(jié)冰及融化的周期的破壞，而這種周期存在于廣大的美國(guó)地區(qū)上。
纖維增強(qiáng)塑料(FRP)桿已被推薦作為木桿、鋼桿和/或混凝土桿的優(yōu)異替換物，因?yàn)檫@種桿不會(huì)遭受到同樣的破壞。例如，F(xiàn)RP復(fù)合材料桿具有的基本電絕緣等級(jí)大于木材、鋼或混凝土桿，并且這種基本電絕緣等級(jí)是保持在FRP桿的整個(gè)壽命期間上的。此外，F(xiàn)RP公用電線桿提供了一個(gè)非常有利的強(qiáng)度與重量比。FRP公用電線桿通常包括多個(gè)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂疊壓層。該纖維通常使用玻璃、石墨、硼或其它稀有材料或它們的組合，該纖維具有的楊氏模量至少為10×106psi(6.9×1010N/m2)的數(shù)量級(jí)-當(dāng)通常的負(fù)載施加于公用電線桿時(shí)它能提供足夠的必要的圓周強(qiáng)度及剛性以防止桿的彎曲及圓周變形。
FRP桿對(duì)環(huán)境是安全的，因?yàn)樗粷B出化學(xué)劑到土壤中。FRP不象木桿那樣，它不需要用化學(xué)防腐劑作初次或進(jìn)一步的處理。相反地，F(xiàn)RP復(fù)合材料公用電線桿具有抵抗通常可能在土壤中發(fā)現(xiàn)的各種化學(xué)物侵蝕的固有能力。
但是，現(xiàn)有技術(shù)的FRP桿被證實(shí)是太昂貴了。典型地，F(xiàn)RP桿是利用在一個(gè)錐形卷筒上敷設(shè)樹(shù)脂涂層玻璃纖維或其它的高模量的纖維束來(lái)制造的。當(dāng)將增強(qiáng)纖維束纏繞在錐形卷筒上時(shí)，所產(chǎn)生的帶錐度的管形桿的頂部具有的壁厚大于其底部的壁厚。用這種方式生產(chǎn)的管狀FRP頂部壁厚較大而外徑則較小，桿在頂部區(qū)域具有高的懸臂強(qiáng)度。但是，為了在接近底部處也使管狀桿具有足夠的懸臂強(qiáng)度，便在頂部上集聚了過(guò)量的材料，于是不必要地增加了桿的造價(jià)及重量。
因此本發(fā)明的首要目的是提供一種改良的公用電線桿，它具有從桿的基部或底部到頂部逐漸收縮的錐形輪廓，沒(méi)有明顯減少沿底部部分的壁厚而使桿強(qiáng)度受到損壞，或是增加沿頂部部分的壁厚使其超出所需的量，用以沿公用電線桿的整個(gè)長(zhǎng)度提供所需的桿強(qiáng)度。
本發(fā)明的另一目的是提供如上所述的一種改良的錐形的、低重量的FRP桿，使其重量大約在同樣長(zhǎng)度的木材、鋼或混凝土制桿之重量的三分之一(1/3)到二分之一(1/2)的范圍中。
本發(fā)明的另一目的在于提供如上所述的一種改良的、錐形的、低重量的FRP桿，它包括相繼的同心FRP層，其中的一些層具有的長(zhǎng)度小于整個(gè)桿的長(zhǎng)度。
本發(fā)明的另一目的在于提供如上所述的一種改良的公用電線桿，它具有的壁厚與桿直徑之比大于或等于0.015，并且在沿桿長(zhǎng)度的任何橫截面上具有的梁強(qiáng)度能承受預(yù)定的允許應(yīng)力。
本發(fā)明的主要目的還在于提供一種制造具有上述特性的FRP公用電線桿的方法。
本發(fā)明的這些及另外的目的及其超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)桿型的優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)以下的描述及提出的權(quán)利要求書(shū)詳細(xì)闡明。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思制造的一種帶錐度的管狀FRP公用電線桿具有多個(gè)根據(jù)需要沿桿的可確定長(zhǎng)度施加的樹(shù)脂增強(qiáng)塑料層，其方式為使桿的柱向強(qiáng)度及懸臂強(qiáng)度最優(yōu)化并使材料的使用量為最小。因?yàn)槔斫膺@里所使用的術(shù)語(yǔ)對(duì)于理解本發(fā)明是關(guān)鍵性的，故應(yīng)了解該裝置，即利用多層樹(shù)脂涂層的增強(qiáng)纖維或纖維束同時(shí)地包圍卷筒外圓周面的裝置，該裝置是通過(guò)在卷筒和導(dǎo)頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將樹(shù)脂涂層增強(qiáng)纖維引導(dǎo)到卷筒上而實(shí)現(xiàn)的。增強(qiáng)纖維束沿卷筒長(zhǎng)度方向在導(dǎo)頭與卷筒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為單次圓周運(yùn)動(dòng)，被稱為是一“道”(“pass”)或“橫移”(“traverse”)。當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)反向來(lái)實(shí)現(xiàn)第二道或橫移時(shí)，這兩道被認(rèn)為是構(gòu)成了一“圈”(“cycle”)或“環(huán)”(“circuit”)。那些沿卷筒一個(gè)共同長(zhǎng)度上來(lái)回運(yùn)動(dòng)形成的一個(gè)或多個(gè)環(huán)，包括任何所有的以前敷設(shè)的在下部分的環(huán)在內(nèi)，形成了一個(gè)纖維增強(qiáng)塑料的“層”(“l(fā)ayer”)。
以此為背景，可以表明，至少一個(gè)、也可能多個(gè)FRP環(huán)通常延伸在桿的整個(gè)長(zhǎng)度上。另外的環(huán)通常從桿的基部或底部延伸相繼較短的長(zhǎng)度，這些長(zhǎng)度結(jié)束在距離桿一端或另一端的預(yù)定距離上。這樣產(chǎn)生的較短的環(huán)或圈與在先敷設(shè)的環(huán)的在下部分形成了另外的層，那些沿頂部的層形成的壁厚與沿基部或底部的壁厚相比較，沒(méi)有提供多余的壁厚。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，被工業(yè)界廣為公知及使用的是，將一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)材料的纖維束或絲從卷筒的一端開(kāi)始以一個(gè)方向的螺旋形狀繞到該卷筒上，接著從卷筒的另一端開(kāi)始將一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的纖維束或絲以相反方向的螺旋形狀繞到該卷筒上。這些步驟然后被多次重復(fù)直到卷筒上被所需層數(shù)所覆蓋，然后將這個(gè)桿件進(jìn)行處理。
制作FRP桿件的一個(gè)有代表性的裝置公開(kāi)在1978年5月16日頒發(fā)給P.H.McLain，并作為本發(fā)明的受讓人所有的美國(guó)專利US4，089，727中。在該專利中公開(kāi)的裝置描述了在每道上敷設(shè)一個(gè)相對(duì)窄的樹(shù)脂涂層的材料帶，但利用修改導(dǎo)頭可使足夠數(shù)目的增強(qiáng)纖維束同時(shí)地環(huán)繞在卷筒上，以致僅在一道中即可完全地覆蓋卷筒。然后，接下來(lái)的道僅是起到形成被制作的FRP桿件的厚度的作用。
因而在繞制操作期間，具有卷筒及繞制導(dǎo)頭之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)及相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)。
可以使繞制導(dǎo)頭旋轉(zhuǎn)而使卷筒旋轉(zhuǎn)或不旋轉(zhuǎn)。也可以旋轉(zhuǎn)卷筒而使繞制導(dǎo)頭不旋轉(zhuǎn)。類似地，繞制導(dǎo)頭與卷筒之間的相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)可以用所述的任一個(gè)或兩個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有的變型均用于實(shí)現(xiàn)繞制導(dǎo)頭與卷筒之間所需的相對(duì)旋轉(zhuǎn)及平移。
與實(shí)現(xiàn)本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)思并不限制采用任何特定的裝置來(lái)完成相對(duì)的軸向運(yùn)動(dòng)和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，僅是為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，以下對(duì)現(xiàn)有技術(shù)及本發(fā)明的解釋均是針對(duì)繞制導(dǎo)頭不旋轉(zhuǎn)但沿卷筒軸向移動(dòng)，而卷筒旋轉(zhuǎn)但本身并無(wú)軸向運(yùn)動(dòng)的情況。
當(dāng)卷筒這樣轉(zhuǎn)動(dòng)，而繞制導(dǎo)頭沿其軸向移動(dòng)時(shí)，就使多個(gè)加強(qiáng)纖維束實(shí)際上敷設(shè)到沿卷筒軸向平移的導(dǎo)頭后方的整個(gè)卷筒外圓柱面上。
根據(jù)本發(fā)明，每層的長(zhǎng)度是利用在沿計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)桿的長(zhǎng)度上軸向布置的預(yù)定檢驗(yàn)站上比較該層的懸臂強(qiáng)度與柱向強(qiáng)度來(lái)確定的。
計(jì)算一管狀柱的懸臂強(qiáng)度及它的極限柱向負(fù)載的數(shù)學(xué)式均依賴于柱桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及制造桿的材料的模量。桿的尺寸也必須到使桿壁厚與桿內(nèi)徑之比等于或大于0.015。
一旦滿足該壁厚與內(nèi)徑比，即在檢驗(yàn)站上計(jì)算抗應(yīng)力強(qiáng)度以確保不超過(guò)預(yù)定的最大應(yīng)力值。如果計(jì)算應(yīng)力超過(guò)了一個(gè)可接收的預(yù)定最大應(yīng)力值，則臨時(shí)地增加另一個(gè)樹(shù)脂涂層的增強(qiáng)纖維束的環(huán)-即來(lái)回各一道或橫移，并再計(jì)算新的抗應(yīng)力強(qiáng)度值。僅當(dāng)這兩種檢驗(yàn)被滿足時(shí)，才使檢驗(yàn)站的部位逐漸遞增地移到接近計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)桿的底部。如果在下一檢驗(yàn)站上的這些檢驗(yàn)也被滿足，則檢驗(yàn)站遞增地移到再下一檢驗(yàn)站，當(dāng)需要添加任何材料時(shí)則臨時(shí)地增加另一個(gè)環(huán)，并在該檢驗(yàn)站再進(jìn)行檢驗(yàn)。這個(gè)過(guò)程在所提出的桿的長(zhǎng)度上重復(fù)進(jìn)行，由此產(chǎn)生出一個(gè)帶錐度的管狀構(gòu)型，它具有多個(gè)FRP層，其中多個(gè)層是沿小于整個(gè)模擬桿長(zhǎng)度的長(zhǎng)度延伸的。
然后，對(duì)該計(jì)算機(jī)模擬桿的頂部撓度量作計(jì)算以確定出一個(gè)設(shè)定的破壞負(fù)載。大于一個(gè)預(yù)定的數(shù)值(ε)-它典型為約一百(100)磅的數(shù)量級(jí)的額定負(fù)載與設(shè)定破壞負(fù)載之差，確定了最大允許應(yīng)力的增量調(diào)節(jié)。這個(gè)最大允許應(yīng)力通過(guò)在各個(gè)站上相繼地重復(fù)計(jì)算及比較額定負(fù)載與設(shè)定破壞負(fù)載而進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到額定負(fù)載FR小于設(shè)定破壞負(fù)載FP且設(shè)定破壞負(fù)載FP小于額定負(fù)載FR與預(yù)定小數(shù)值ε之和，即為FR＜FP＜FR+ε時(shí)為止。這種相繼的重計(jì)算被稱為對(duì)半檢索(binary chopping)，最后收斂在能以最小重量提供所需破壞負(fù)載的最期望的環(huán)數(shù)目及長(zhǎng)度上。上述過(guò)程對(duì)于每個(gè)選擇站在計(jì)算機(jī)上可以快速地完成，然后就能根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的結(jié)果來(lái)制造真實(shí)的桿。一旦層數(shù)目及它們的長(zhǎng)度對(duì)于一個(gè)承受特定負(fù)載的特定長(zhǎng)度的桿被確定時(shí)，這種桿能很容易地在將來(lái)任何時(shí)間被復(fù)制出來(lái)，而不需要重復(fù)計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的低重量的FRP公用電線桿將提供這樣的結(jié)構(gòu)，即其重量為由木材、鋼或混凝土構(gòu)成的同樣長(zhǎng)度的桿之重量的三分之一(1/3)至二分之一(1/2)。此外，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的桿將對(duì)環(huán)境是無(wú)害的，因?yàn)橹圃鞐U所使用的材料中無(wú)一會(huì)滲透到土壤中。同時(shí)，這種桿將不需要用防腐劑進(jìn)行初期處理或后期處理。
這種FRP桿將具有比木材、混凝土或鋼桿更有利的基本電絕緣特性。并能在桿的整個(gè)使用壽命上維持這種基本電絕緣特性。該FRP桿具有更好的抗化學(xué)劑腐蝕能力，這種化學(xué)劑可能是已經(jīng)存在于土壤中的，并具有抵抗木材害蟲(chóng)，例如抗鑿木蟲(chóng)、霉菌、細(xì)菌或啄木鳥(niǎo)侵襲的能力。
該桿利用樹(shù)脂涂層的纖維增強(qiáng)束的相繼環(huán)被敷設(shè)在一個(gè)帶錐度的卷筒上，在環(huán)中纖維是以約十五度(15°)螺旋線繞制的。每個(gè)環(huán)包括兩個(gè)樹(shù)脂涂層的纖維增強(qiáng)束的道或橫移，每次后繼的橫移以與在先橫移螺旋方向相反的螺旋方向敷設(shè)增強(qiáng)纖維束。所需的支承強(qiáng)度是一個(gè)已知值，因此，在沿桿長(zhǎng)度的任何部位上桿的應(yīng)力均可用以下公知的公式計(jì)算S＝Mc/I，正如以下要詳細(xì)解釋的。
因?yàn)閷?duì)于FRP材料的最大允許應(yīng)力是已知的，如在一檢驗(yàn)站上，層的厚度被計(jì)算得不能滿足通過(guò)這兩種檢驗(yàn)，則在底部及該檢驗(yàn)站之間加設(shè)另一個(gè)FRP的環(huán)。該過(guò)程在沿桿長(zhǎng)度的后繼的預(yù)設(shè)檢驗(yàn)站-典型為每六英寸(15.24cm)一個(gè)站上繼續(xù)地進(jìn)行。已經(jīng)得出，例如具有中等范圍強(qiáng)度(與公知的用于本桿的十五等級(jí)強(qiáng)度相比)的三十五英尺(10.67m)長(zhǎng)的桿需要敷設(shè)逐次減短的環(huán)以便提供三個(gè)不同的層。
為了檢驗(yàn)公用電線桿柱向強(qiáng)度及懸臂強(qiáng)度，已經(jīng)證實(shí)，可以預(yù)告懸臂破壞負(fù)載，而不需用桿的撓度數(shù)據(jù)試驗(yàn)到破壞，對(duì)此也在下文中詳細(xì)描述。
為了使與本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員了解本發(fā)明，以下借助及參照作為本說(shuō)明書(shū)一部分的附圖來(lái)描述一個(gè)FRP公用電線桿的優(yōu)選實(shí)施例，它在目前被認(rèn)為是將本發(fā)明投入實(shí)踐的一個(gè)最佳方式。以下對(duì)一個(gè)示范的公用電線桿及制造這樣一種桿的方法作出詳細(xì)描述，而不打算表達(dá)可實(shí)施本發(fā)明的各種形式及改型。因此，正如對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的，這里所描繪及描述的實(shí)施例可在本發(fā)明的精神及范圍中以各種方式作出改型；本發(fā)明可用所附權(quán)利要求書(shū)而非說(shuō)明書(shū)的細(xì)節(jié)加以衡量。


圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的FRP公用電線桿被局部截去及局部剖開(kāi)后的側(cè)視圖；圖2是在圖1中標(biāo)有“見(jiàn)圖2”區(qū)域的一個(gè)放大部分圖；圖3是在圖1中標(biāo)有“見(jiàn)圖3”區(qū)域的一個(gè)放大部分圖；圖4是結(jié)合了本發(fā)明的一個(gè)FRP公用電線桿的被局部截去及局部剖開(kāi)后的側(cè)視圖；圖5是圖4中標(biāo)有“見(jiàn)圖5”區(qū)域的一個(gè)放大部分圖；圖6是基本沿圖5中線6-6的一個(gè)放大橫截面；圖7是圖4中標(biāo)有“見(jiàn)圖7”區(qū)域的一個(gè)放大部分圖；圖8是圖4中標(biāo)有“見(jiàn)圖8”區(qū)域的一個(gè)放大部分圖；圖9是基本上沿圖4中線9-9從桿的頂部或上端向基部或底部看過(guò)去得出的一個(gè)放大頂視圖；圖10是基本上沿圖4中線10-10被部分剖開(kāi)的放大側(cè)視圖；圖11是基本上沿圖4中線11-11的一個(gè)放大橫截面圖；圖12是基本上沿圖4中線12-12被部分剖開(kāi)的放大側(cè)視圖；圖13是基本上沿圖4中線13-13的一個(gè)放大橫截面圖；圖14是基本上沿圖4中線14-14被部分剖開(kāi)的放大側(cè)視圖；圖15是構(gòu)成在一個(gè)卷筒上的公用電線桿頂部的示意圖；圖16A是可使用于計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)空心公用電線桿的算法的流程圖的一部分，該桿特別適用于根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思利用一種復(fù)合材料的FRP的制造；及圖16B是該流程圖的其余部分，它與描述在圖16A中的那部分流程利用這兩圖中的文字標(biāo)注相連接。
一種實(shí)施本發(fā)明構(gòu)思的纖維增強(qiáng)型塑料公用電線桿的代表形式總地在附圖4至15中用標(biāo)號(hào)10表示。然而，參考圖1，這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的典型公用電線桿12具有地平面“G”以上的長(zhǎng)度“LA”及地平面“G”以下的長(zhǎng)度“LB”。可以看到，在圖3中所繪的它的頂部的厚度“T1”大于在圖2中所繪的它的底部的厚度“T2”。這是現(xiàn)有技術(shù)的FRP公用電線桿的代表。
這種改進(jìn)的公用電線桿10也是由纖維增強(qiáng)型塑料(FRP)構(gòu)成的，它也具有地平面“G”以上的長(zhǎng)度“LA”及地平面“G”以下的長(zhǎng)度“LB”。但是，該桿10明顯地包括多個(gè)層14-在圖4中所繪的代表性桿中表示出三層14A、14B及14C。每個(gè)層14本身又包括一個(gè)或多個(gè)完整的或部分的環(huán)16。在該代表性桿10中，層14A沿桿10的頂部分18延伸并包括一環(huán)部分16A。如下文中要解釋的，需要的話，可以在層14A中包括一個(gè)或多個(gè)附加環(huán)。
層14B由與環(huán)部分16B相結(jié)合的環(huán)16A的中間部分20組成，或由任何覆蓋在環(huán)16A中間部分20上的另外環(huán)16組成。層14C不但由整個(gè)環(huán)16C而且也由部分環(huán)16A及16B以及任何所有的覆蓋在環(huán)16C之下的環(huán)組成。這里，一個(gè)或多個(gè)附加環(huán)也是與環(huán)16C共同延伸的，如果這些環(huán)需要數(shù)學(xué)地確定的話，這在以下要詳細(xì)說(shuō)明。每個(gè)環(huán)16包括兩個(gè)樹(shù)脂涂層的增強(qiáng)纖維束的道或橫移24A及24B。
如上文中給出的及在下文的詳細(xì)說(shuō)明中將要給出的，可以在不止一個(gè)部位上使用特殊的結(jié)構(gòu)件、零件或組件。當(dāng)總地涉及這類結(jié)構(gòu)件、零件或組件時(shí)將使用同樣的標(biāo)號(hào)。但是當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)件、零件或組件需單獨(dú)被識(shí)別時(shí)，它將借助于識(shí)別這類結(jié)構(gòu)構(gòu)件、零件或組件的總標(biāo)號(hào)與一下標(biāo)相結(jié)合來(lái)表示。例如，有兩個(gè)道，在每個(gè)方向上繞放一個(gè)，用于敷設(shè)一個(gè)樹(shù)脂涂層的增強(qiáng)纖維環(huán)16，在說(shuō)明書(shū)及附圖中，這些道總地用標(biāo)號(hào)24表示，而在兩個(gè)方向上的每一個(gè)道，分別用標(biāo)號(hào)24A及24B來(lái)表示。
另一方面，當(dāng)結(jié)構(gòu)件、零件或組件是類似的，但不完全相同時(shí)，仍然使用同樣的標(biāo)號(hào)，但是當(dāng)這些這樣標(biāo)號(hào)的構(gòu)件、零件或組件需要專門(mén)地指出時(shí)，它們將借助于識(shí)別這些結(jié)構(gòu)件、零件或組件的總標(biāo)號(hào)與一下標(biāo)相結(jié)合來(lái)表示。例如，具有由兩個(gè)道24A及24B形成的一些相似的但不同的環(huán)或圈。在說(shuō)明書(shū)及附圖中，這些環(huán)或圈總地用標(biāo)號(hào)16表示，但專門(mén)的、個(gè)別的環(huán)則用帶字母的標(biāo)號(hào)16A、16B等表示。
這些相同的字母標(biāo)號(hào)規(guī)則將在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中使用。
雖然該桿10的結(jié)構(gòu)是非常獨(dú)特的、但是如考慮到這些層的數(shù)目是怎樣確定的及與形成這些層相關(guān)的各個(gè)環(huán)的長(zhǎng)度是怎樣確定的時(shí)，它的新穎性的全部特征是完全可以被理解的。為了最佳地理解該過(guò)程，我們必須參考圖16，并通過(guò)其說(shuō)明記住相繼環(huán)的數(shù)目和長(zhǎng)度是由計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)確定，該計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)的算法用圖16中的流程圖表示。
該流程圖起始于任意選擇一個(gè)原始的最大允許應(yīng)力“Smax”。應(yīng)該理解，該值不需要與最終的真實(shí)最大允許應(yīng)力值有任何真正相似之處，對(duì)此在以下將詳細(xì)地說(shuō)明。于是，我們可以選擇每平方英寸四萬(wàn)磅(40，000psi)，這當(dāng)然完全超出了一種FRP構(gòu)件的實(shí)際值。
再選擇原始增量調(diào)整值“Sincr”，利用該值對(duì)原始選擇的最大允許應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，對(duì)此以下再詳細(xì)地說(shuō)明。起始增量調(diào)整值的選擇值要選擇得足夠大，以使得在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中所使用的對(duì)半檢索將不會(huì)占用過(guò)長(zhǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行周期，但又要選擇得足夠小，以致在第一次對(duì)半檢索被執(zhí)行前至少需要進(jìn)行兩個(gè)檢驗(yàn)周期。此外，如果最大應(yīng)力起初被選擇得比最終確定的最大應(yīng)力的合理期望值大時(shí)，則“Sincr”的符號(hào)應(yīng)為負(fù)。因此，“Sincr”的起始值可以取等于負(fù)的每平方英寸八千磅(-8，000psi)。應(yīng)指出，這些選擇雖然從任意意義來(lái)看并非真實(shí)的值，但也要理智地作選擇，即利用選擇過(guò)大的“Smax”及相應(yīng)的“Sincr”值作為起始計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)的優(yōu)選值可以使在計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)程序的后繼步驟時(shí)能提供有效的對(duì)半檢索。
一旦選擇了這些初始值，則在相繼的一系列檢驗(yàn)站26(圖4)上將用于桿10的壁厚與內(nèi)徑的比(總稱為厚度/直徑比)與一預(yù)定最小值相比較。作為通常的規(guī)則，對(duì)用于FPR公用電線桿所需的該比值被確定為等于或大于0.015。
該壁厚是利用求壁外半徑“ro”與壁內(nèi)半徑“ri”之間的差值來(lái)確定的。即，該壁厚“t”可用數(shù)學(xué)式表示t=(ro-ri) (1)該壁厚在要確定比值的檢驗(yàn)站26上被內(nèi)徑“di”相除。因而，該比例“R”利用下式作數(shù)學(xué)計(jì)算Rc=(ro-ri)/dI(2)如果計(jì)算出的比值Rc小于所需的最小比值RR，它是不能被接受的，則認(rèn)為，在要確定比值Rc的檢驗(yàn)站26上從桿10的底部22開(kāi)始加上另一個(gè)FRP環(huán)。然后再計(jì)算該比值。如果該比值仍不能被接收，則考慮再加上另一個(gè)環(huán)。該過(guò)程重復(fù)下去，一直到Rc等于或大于0.015為止。
在構(gòu)成具有整體長(zhǎng)度Lo-即地平面“G”以上的長(zhǎng)度LA加上地平面“G”以下的長(zhǎng)度LB的桿10時(shí)，被證實(shí)很少能僅用一個(gè)單環(huán)16(構(gòu)成一個(gè)單一的全長(zhǎng)度的層14)提供具有可接受強(qiáng)度的桿。這就是說(shuō)，很難沿桿的整個(gè)長(zhǎng)度在所有檢驗(yàn)站26上提供同樣數(shù)目的環(huán)以使桿達(dá)到必要的強(qiáng)度。相反地，肯定通常需要多個(gè)層14來(lái)提供所需的厚度對(duì)直徑的比例RR。
在檢驗(yàn)站確定了所需的比值RR后，對(duì)桿10進(jìn)行分析，以確定在檢驗(yàn)站26上計(jì)算出的應(yīng)力Scalc是否等于或大于承受一個(gè)懸臂負(fù)載“F”的最大應(yīng)力Smax。該應(yīng)力Scalc。該應(yīng)力Scalc可由下式來(lái)確定Scalc＝Mc/I (3)式中M＝由額定負(fù)載FR產(chǎn)生的力矩；C＝從中心軸(桿的中心線)到桿外表面的距離，在該距離處應(yīng)力為最大；及I＝轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)于一環(huán)形橫截面，與外徑do的四次方與內(nèi)徑dI四次方的差成正比。即I＝Ⅱ/64(do4-dI4)(4)由于任意選擇的初始Smax遠(yuǎn)超過(guò)其合理的期望值，故希望在地平面“G”以上的每個(gè)檢驗(yàn)站26上計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序初始運(yùn)行時(shí)Scalc的值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初始選擇的Smax值。如果不是這樣，將根據(jù)需要加上一附加環(huán)。
通常，應(yīng)力在頂部18處為最小，并當(dāng)考察逐漸接近底部22的檢驗(yàn)站26上得到的結(jié)果時(shí)應(yīng)力是增加的。沿著桿的長(zhǎng)度在遞增的隔開(kāi)部位上設(shè)置檢驗(yàn)站，例如以接近六英寸(15.24cm)的間隔設(shè)置，則可獲得一個(gè)實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)每個(gè)厚度比R等于或小于0.015，或計(jì)算的應(yīng)力Scalc超過(guò)了預(yù)定的最大可接受值Smax時(shí)，則在作出計(jì)算的檢驗(yàn)站26上從底部22加上另一個(gè)環(huán)16。
重復(fù)地計(jì)算及加上所需的環(huán)16，直到由檢驗(yàn)公式獲得所需的預(yù)定值為止。
與桿在額定負(fù)載FR作用下遭受彎曲時(shí)的撓度計(jì)算相關(guān)的是，需要確定其柱強(qiáng)度對(duì)于構(gòu)成的柱是否足夠。這是當(dāng)在桿上施加了有效的垂直負(fù)載“P”時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)大型路燈，信號(hào)燈或變壓器單個(gè)地或成組地對(duì)稱支承在桿上時(shí)，很容易被確認(rèn)是施加了垂直負(fù)載，但是施加于公用電線桿的最大垂直負(fù)載可能是由于使用拉索產(chǎn)生的。當(dāng)考慮垂直負(fù)載時(shí)，已證實(shí)懸臂彎曲負(fù)荷與極限柱負(fù)載通?？梢暈橄嗟?，這是因?yàn)檫@兩者均正比于其彈性模量“E”與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量“I”的乘積。但必須包括一個(gè)校正系數(shù)，如以下要說(shuō)明的。
FRP公用電線桿的風(fēng)負(fù)載承受能力可使用由ANSIC136.20-1990標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的懸臂負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果來(lái)計(jì)算。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)由桿10自地平面“G”到頂部18的距離LA及使桿損壞的負(fù)載力組成。所有的桿都在桿的受壓縮應(yīng)力側(cè)上彎曲損壞。這種由于彎曲的損壞表明，桿與柱一樣，在懸臂負(fù)載試驗(yàn)時(shí)壓縮彎曲損壞。使用柱理論，可以從負(fù)載及撓度數(shù)據(jù)預(yù)言FRP桿的破壞負(fù)載，由此可建立一個(gè)非破壞性試驗(yàn)，利用它在每個(gè)沿桿遞增設(shè)置的站上數(shù)學(xué)地確定所需厚度。
可以使用下式來(lái)預(yù)計(jì)支承一給定負(fù)載(在此情況下為額定負(fù)載)的懸臂梁端部的撓度(δ)δ＝[FRa2/6EI]·(a-3LA) (5)式中FR＝引起梁彎曲的額定負(fù)載；
a＝從固定平面(地平面“G”)到額定負(fù)載FR施加于梁的點(diǎn)之距離；LA＝從固定平面到梁的端部的距離;
E＝制作梁的材料的彈性模量;及I＝梁截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
柱理論預(yù)示對(duì)于一端固定，另一端自由的柱其極限或預(yù)定破壞負(fù)載FP-即彎曲負(fù)載-可用下式數(shù)學(xué)地估算FP＝0.25(Ⅱ/a)2EI (6)雖然在兩個(gè)式5及6中項(xiàng)“EI”可能是精確相同的，以致對(duì)于每個(gè)式求解該項(xiàng)看起來(lái)應(yīng)是彼此相等的，但必須記住，式5及6的推導(dǎo)及它們被指定起作用的工作區(qū)域是完全不同的，即一種確定撓度“δ”的公式落在材料的彈性極限之內(nèi)，而極限、預(yù)定破壞負(fù)載落在彈性極限以外?？赡芨匾氖?，應(yīng)注意到FRP不是均質(zhì)的、各向同性的材料。因此在5中的FRP的彈性模量將不等于使用在預(yù)計(jì)柱的極限負(fù)載公式中所使用的彈性模量。此外，該桿是一種錐形結(jié)構(gòu)。因此，彎曲時(shí)的“有效”轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將不等于使用于預(yù)計(jì)極限柱負(fù)載時(shí)的“有效”轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因而，為了數(shù)學(xué)表示的正確性，當(dāng)用數(shù)學(xué)等式5及6表示時(shí)必須導(dǎo)入一個(gè)校正系數(shù)“B”，則有B(FR(a2)/(δ) )(a-3LA)=4FP( (a)/(Π) )2(7)因?yàn)椤癮”等于LA，因?yàn)檫@兩項(xiàng)都表示從固定點(diǎn)(檢驗(yàn)站)到施加負(fù)載點(diǎn)的距離-最后的固定點(diǎn)是地平面“G”；因此“a”始終地等于LA-我們可以解出FP并將表達(dá)式0.25Ⅱ2化成用“C”表示的正比常數(shù)，其解如下式Fp=C( (FR)/(δ) )(a-3LA) (8)由式(7)C= (BΠ2)/4 (9)根據(jù)式(8)-如果我們能確定常數(shù)“C”及如果我們知道梁LA的長(zhǎng)度；從地平面“G”到施加負(fù)載“F”的點(diǎn)之距離；及撓度量δ時(shí)-我們便能數(shù)學(xué)地計(jì)算出預(yù)定的破壞負(fù)載FP。項(xiàng)“a”，LA，F(xiàn)R及δ是容易確定的。但是我們必須從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定“C”。
為了本發(fā)明起見(jiàn)，“C”的求得是使用大量的負(fù)載及撓度數(shù)據(jù)來(lái)完成的。這種分析使用在300磅的試驗(yàn)負(fù)載時(shí)的撓度來(lái)求解“C”。使用該試驗(yàn)負(fù)載極大程度地減少了在低負(fù)載時(shí)撓度測(cè)量的不一致性的影響，并也極大地減少了伸展到試驗(yàn)設(shè)施中的地面線帶的影響。
為了識(shí)別負(fù)載/撓度參數(shù)之間的線性關(guān)系，將由三百(300)磅負(fù)載得到的對(duì)于“a”，LA及撓度量δ的數(shù)據(jù)存入到一個(gè)傳遞表格中，并計(jì)算出負(fù)載-撓度參數(shù)。由一種通過(guò)其圖形座標(biāo)原點(diǎn)的破壞負(fù)載相對(duì)負(fù)載-撓度參數(shù)的函數(shù)關(guān)系的線性回歸分析，在破壞負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)誤差推算值為270磅及校正系數(shù)(r2)為0.94(1為最佳數(shù)據(jù)配合)的范圍內(nèi)獲得對(duì)于C的值為-0.0843。必須理解，該撓度試驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于玻璃增強(qiáng)纖維作出的，該玻璃增強(qiáng)纖維具有每磅玻璃二百五十(250)碼長(zhǎng)度玻璃纖維的“產(chǎn)量”。應(yīng)當(dāng)理解，不同的纖維或同樣的但以不同的產(chǎn)出率生產(chǎn)的玻璃纖維也導(dǎo)致不同的“C”值。這個(gè)計(jì)算結(jié)果證實(shí)了這里描述的在本發(fā)明構(gòu)思內(nèi)制造空心錐形公用電線桿的方案。
總之，在沿地上桿長(zhǎng)度的每個(gè)檢驗(yàn)站上壁厚與內(nèi)徑的比及應(yīng)力的校核被完成后，就確定了在額定負(fù)載下的頂部撓度δ，并根據(jù)式(8)計(jì)算出在該撓度δ時(shí)的設(shè)定破壞負(fù)載FP，如果額定負(fù)載FR不小于設(shè)定破壞負(fù)載Fp，并如果設(shè)定破壞負(fù)載Fp不小于額定負(fù)載FR加上一預(yù)選常數(shù)值ε，則對(duì)最大允許應(yīng)力Smax作校正。
在對(duì)如何校正最大允許應(yīng)力詳細(xì)說(shuō)明前，應(yīng)對(duì)額定負(fù)載與設(shè)定破壞負(fù)載的比較作出解釋，額定負(fù)載FR是對(duì)被制造桿的等級(jí)發(fā)布的水平負(fù)載加上基于二百七十(270)磅的標(biāo)準(zhǔn)誤差推算值增加到用于附加安全裕度的四百(400)磅的值。因此，如果桿的等級(jí)額定值為承受二千四百(2，400)磅的水平負(fù)載，則額定負(fù)載應(yīng)為二千八百(2，800)磅。系數(shù)ε是一個(gè)最小常數(shù)，它約為一百(100)磅的數(shù)量級(jí)，是為了保證回答“是否FR＜FP＜FR+ε”問(wèn)題時(shí)能作出或“是”或“否”回答必須的擴(kuò)展量。
在最大允許應(yīng)力Smax需要修正的情況下，將會(huì)得到“否”的回答，然后我們必須確定是否將增量應(yīng)力“Sincr”加到這時(shí)存在的Smax值上或是被從中減去。利用求解下式是否成立來(lái)作出決定((FR-FP)1-1)/((FR-FP)1) ＜0 (10)其中“i”是當(dāng)前的用于計(jì)算在額定負(fù)載FR時(shí)頂部撓度及確定在這種撓度時(shí)的設(shè)定破壞負(fù)載FP的計(jì)算慣量。因此表達(dá)式“i-1”表示先前的慣量。在該計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序中將結(jié)合一計(jì)數(shù)器，用于識(shí)別這些相繼的慣量。
在計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)程序首次運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有“i-1”慣量，所述表達(dá)式(10)將因此向計(jì)算機(jī)提供零作為回答，因?yàn)榱惚蝗魏沃党玫降幕卮馂榱恪?br> 在兩種情況下，表達(dá)式(10)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大于或等于零的數(shù)，所以將沿流程圖的“否”分支進(jìn)行，并在當(dāng)前的或初始的Smax上增加當(dāng)前增量值Sincr來(lái)確定一個(gè)新的Smax。因?yàn)槌跏荚O(shè)定的增量應(yīng)力值被指定為負(fù)數(shù)，所以新的最大允許應(yīng)力Smax將是前一最大允許應(yīng)力減去該增量應(yīng)力Sincr。該新的最大應(yīng)力值接著將被重置到流程圖的頂框中，并逐步地對(duì)流程圖中所示計(jì)算重新進(jìn)行計(jì)算。在第二次運(yùn)動(dòng)時(shí)，將對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式(10)所描述的檢驗(yàn)全都逐步地、重復(fù)地作出計(jì)算，并為由式(10)表示的數(shù)學(xué)檢驗(yàn)式提供當(dāng)前的及前一個(gè)FR及FP數(shù)值。繼續(xù)重復(fù)計(jì)算并在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)重置新的Smax。
在某一重復(fù)時(shí)，由式(10)確定的檢驗(yàn)比值變成小于零，則將沿流程圖的“是”分支進(jìn)行。當(dāng)獲得“是”回答時(shí)，增量應(yīng)力Sincr被減小到一半(1/2)并且增量應(yīng)力Sincr的符號(hào)改變。
上述設(shè)計(jì)公式被繼續(xù)在所有地平面“G”以上的站26上進(jìn)行計(jì)算，直到檢驗(yàn)式FR＜FP＜FR+ε被得到“是”的回答時(shí)為止。在低于地平面的點(diǎn)上再進(jìn)行求值計(jì)算。在通常情況下，延伸在地平面以下的桿部分不會(huì)有變化，則程序結(jié)束。但是，在某些特殊情況需要特殊處理的情況下，應(yīng)提供求值步驟。
當(dāng)桿10的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)完成時(shí)，該所得出的桿的構(gòu)型將例如如以下所述。在檢驗(yàn)站26A上，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是環(huán)16A的直徑dO1及dI1的函數(shù)，環(huán)16A包括兩個(gè)道24A1及24B1，及距離C等于C1。可以理解，由于環(huán)的卷筒的錐度，及作為在錐形卷筒上纏樹(shù)脂涂層的纖維束的結(jié)果，厚度隨之變化，因此直徑將繼續(xù)地增加。
在檢驗(yàn)站26B上，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為直徑dO2及dI2的函數(shù)，并且距離C等于C2。由于任何情況，在檢驗(yàn)站26B上，至少檢驗(yàn)中有一次失敗，則增加了一個(gè)環(huán)16B-包括兩個(gè)道24A2及24B2。
環(huán)16B不一定延伸超出檢驗(yàn)站26B，因此層14A僅構(gòu)成環(huán)16A的一部分并從檢驗(yàn)站26B延伸到預(yù)部18，并包括頂部18在內(nèi)。
在檢驗(yàn)站26C上，使用直徑do3及dI3，及距離C3。但不需要增加環(huán)16。另一方面，在檢驗(yàn)站26D-這里使用直徑do4及dI3，及距離C4來(lái)計(jì)算數(shù)學(xué)檢驗(yàn)式-需要增加另一個(gè)環(huán)16C，該環(huán)包括兩個(gè)道24A3及24B3。
然而，在檢驗(yàn)站26E上，所有檢驗(yàn)繼續(xù)通過(guò)，并不再需要增加環(huán)16。因此桿10具有第一層14A，它從頂部18延伸到檢驗(yàn)站26A；第二層14B，它延伸在檢驗(yàn)站26B及26D之間；及，第三層，它從檢驗(yàn)站26D延伸到底部22。
利用普通的編程的數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算所需的值時(shí)，能使過(guò)程簡(jiǎn)化并能在可接收的時(shí)間周期中完成對(duì)不同長(zhǎng)度的桿及各種負(fù)載的計(jì)算。由于桿在投入使用的條件下，負(fù)載將會(huì)變化。例如，桿將支承路燈、信號(hào)燈、變壓器、-或利用拉索作穩(wěn)固-所有這些將施加－懸臂負(fù)載。還必須考慮在桿要設(shè)立的地點(diǎn)發(fā)生的盛行風(fēng)及最大可能的風(fēng)負(fù)載。
在桿的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)完成后，則根據(jù)由該模擬設(shè)計(jì)技術(shù)確定的環(huán)的數(shù)目及長(zhǎng)度制造真實(shí)的桿。如圖15所示，該樹(shù)脂涂層的纖維束32敷設(shè)在一個(gè)卷筒28上，該卷筒可轉(zhuǎn)動(dòng)地支承在它的縱長(zhǎng)軸30上。每個(gè)環(huán)16的第一道24A這樣地敷設(shè)在卷筒28上，即使得纖維增強(qiáng)束32A以右手螺旋角θR放置；而每個(gè)環(huán)16的第二道24B則那樣地敷設(shè)在卷筒28上，即使得纖維增強(qiáng)束32B以左手螺旋角θL放置。最好，角θR及θL具有相同的絕對(duì)值但方向相反。后繼的環(huán)將以類似的螺旋角度施加樹(shù)脂涂層的加強(qiáng)束32。對(duì)于公用電線桿將遭受的大多數(shù)條件，已證實(shí)十五度(15°)的值是可以接受的。
因?yàn)闂U結(jié)構(gòu)可以由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)確定，而不是真正構(gòu)成該桿，故敷設(shè)在卷筒28上的內(nèi)環(huán)也可以是短的環(huán)。因此，我們可以首先纏繞環(huán)16C，由此它將是最內(nèi)部的環(huán)。用這種方式作出的桿將呈現(xiàn)總體平滑的外表面并可能具有更使人感到舒暢的美觀外表。
以上對(duì)一種FRP公用電線桿示范實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明是為了解釋及說(shuō)明而作出的。既不是表明這是唯一的也不意味著本發(fā)明將限制在所公開(kāi)的精確形式上。顯然，根據(jù)上述技術(shù)可以作出各種改型或變型。選擇及描述該實(shí)施例是為了對(duì)本發(fā)明的原理及它的實(shí)際應(yīng)用提供最佳的說(shuō)明，以便使本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員能用適合所考慮的特定應(yīng)用的各種實(shí)施方式及運(yùn)用各種變型來(lái)使用本發(fā)明。從公正、合法、及平等授權(quán)的范圍來(lái)理解，所有這些變型及改型都在附屬權(quán)利要求書(shū)所確定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
雖然對(duì)本發(fā)明僅公開(kāi)了一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，但顯然能理解，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，該實(shí)施例易于得出多種變化是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的范圍不是限制在所表明的及所描述的細(xì)節(jié)上，而是意味著包括在所附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)的所有變型及改型。
現(xiàn)在可明顯地看出，本發(fā)明授以了一種實(shí)施本發(fā)明構(gòu)思的FRP公用電線桿及為制造該桿所公開(kāi)的方法，這種桿及方法完全能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明之目的。
權(quán)利要求
1.一種空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，用于由一種合成FRP繼而制造該桿，該公用電線桿具有一個(gè)底部，一個(gè)中間部分及一個(gè)頂部，所述方法包括下列步驟確定待制造的桿的長(zhǎng)度；選擇具有典型徑向構(gòu)型及長(zhǎng)度的套筒來(lái)提供桿從底部到頂部的整個(gè)長(zhǎng)度；沿套筒從要形成頂部的部位到要形成底部的部位遞增地設(shè)置檢驗(yàn)站；從底部部位到頂部部位仿真地以一個(gè)環(huán)的方式敷設(shè)樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束；在接近桿頂部的檢驗(yàn)站上，確定該樹(shù)脂涂層的纖維增強(qiáng)束環(huán)的壁厚的厚度與直徑的比例是否等于或小于一個(gè)確定的常數(shù)；為了滿足在第一檢驗(yàn)站上的厚度與直徑比，必須仿真地敷設(shè)樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束的任何另外的環(huán)；及確定在接下來(lái)的下一檢驗(yàn)站上該厚度與直徑比是否等于或大于確定常數(shù)；為了滿足在下一檢驗(yàn)站上的厚度與直徑比，必須仿真性敷設(shè)樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束的任何另外的環(huán)；繼續(xù)在每個(gè)檢驗(yàn)站1上進(jìn)行檢驗(yàn)步驟，根據(jù)需要仿真地敷設(shè)另外的環(huán)，直到沿頂部到底部的所選桿長(zhǎng)度上的厚度對(duì)直徑比的檢驗(yàn)均滿足條件為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，還包括,選擇千分之十五(0.015)作為厚度與直徑比的常數(shù)的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，還包括下列步驟確定在相繼檢驗(yàn)站上在預(yù)定負(fù)載下計(jì)算出的可接受抗應(yīng)力強(qiáng)度是否大于對(duì)每個(gè)相應(yīng)檢驗(yàn)站所需的抗應(yīng)力強(qiáng)度；及在程序進(jìn)行前為了滿足所需的抗應(yīng)力強(qiáng)度，必須仿真地敷設(shè)樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束的任何另外的環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，還包括步驟借助于下式在每個(gè)站上計(jì)算抗應(yīng)力強(qiáng)度S＝Mc/I式中M--由所選負(fù)載產(chǎn)生的力矩；C--從桿的中心軸到其外表面的距離；及I--對(duì)于該檢驗(yàn)站處的桿橫截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，還包括以下步驟當(dāng)仿真桿遭受額定負(fù)載時(shí)在每個(gè)站上計(jì)算頂部撓度量；在每個(gè)站上從頂部撓度量設(shè)定破壞負(fù)載；及在程序進(jìn)行前為了保證額定負(fù)載小于設(shè)定的破壞負(fù)載，必須仿真地敷設(shè)樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束的任何另外的環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，還包括以下步驟Fp=C( (FR)/(δ) )(a-3LA)式中FR--引起梁撓曲的額定負(fù)載Fp--設(shè)定破壞負(fù)載；a--從固定平面到額定負(fù)載FR施加于梁的點(diǎn)的距離；LA--從固定平面到梁的端部的距離；C--正比例常數(shù)；及δ--在施加的負(fù)載下的梁撓度量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，還包括以下步驟任意選擇一個(gè)最大允許應(yīng)力，最好高于其預(yù)期值；選擇一個(gè)增量應(yīng)力，用于當(dāng)檢驗(yàn)式FR＜FP＜FR+ε的回答為“是”時(shí)調(diào)節(jié)所述的最大應(yīng)力。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，還包括以下步驟使用破壞負(fù)載相對(duì)負(fù)載撓度參數(shù)的線性回歸分析確定正比例常數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，還包括以下的步驟如果檢驗(yàn)式(FR-FP)i-1/(FR-FP)i＜0滿足時(shí)，選擇一個(gè)新的增量應(yīng)力，用以借助對(duì)半檢索程序重新設(shè)置所述最大允許應(yīng)力。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的空心公用電線桿的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法，還包括以下步驟如果使用的玻璃增強(qiáng)纖維具有每磅二百五十(250)碼長(zhǎng)度的產(chǎn)出量則用負(fù)的萬(wàn)分之八百四十三(-0.0843)代替正比例常數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)方法制造空心公用電線桿的方法，包括以下步驟將樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束敷設(shè)在卷筒上；及處理樹(shù)脂，完成該桿。
12.制造一種空心公用電線桿的方法，該桿具有一個(gè)底部，一個(gè)中間部分及一個(gè)頂部，該方法包括以下步驟確定待制造桿的長(zhǎng)度；選擇具有典型直徑及長(zhǎng)度的卷筒，在其上制造該桿；從頂部分到底部分遞增地隔開(kāi)設(shè)置檢驗(yàn)站；在卷筒上敷設(shè)樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束；在所述每個(gè)檢驗(yàn)站上，確定對(duì)于在所述卷筒上敷設(shè)的樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束的壁厚的厚度與直徑比是否等于或小于0.015；為了在第一檢驗(yàn)站上滿足厚度與直徑比，必須敷設(shè)樹(shù)脂涂層的纖維增強(qiáng)束的任何另外的環(huán)；利用下式在每個(gè)所述檢驗(yàn)站上計(jì)算抗應(yīng)力強(qiáng)度；S=Mc/I確定在所述檢驗(yàn)站上在預(yù)定負(fù)載下計(jì)算出的可接受的抗應(yīng)力強(qiáng)度是否大于對(duì)每個(gè)檢驗(yàn)站所需的抗應(yīng)力強(qiáng)度在程序進(jìn)行前，為了在所述試驗(yàn)站上滿足所需的抗應(yīng)力強(qiáng)度，必須敷設(shè)樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束的任何另外的環(huán)；利用下式在每個(gè)所述檢驗(yàn)站上計(jì)算極限負(fù)載Fp=C( (FR)/(δ) )(a-3l)在所述站上確定待施加于桿的真實(shí)負(fù)載是否低于使桿損壞的極限負(fù)載如果預(yù)選擇的額定負(fù)載不小于設(shè)定的破壞負(fù)載，并且額定負(fù)載不超過(guò)設(shè)定的破壞負(fù)載一個(gè)預(yù)定的安全裕量，則調(diào)節(jié)可接受的應(yīng)力；為了保證額定負(fù)載及設(shè)定的破壞負(fù)載滿足安全裕量準(zhǔn)則，必須敷設(shè)樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束的任何另外的環(huán)；在每個(gè)檢驗(yàn)站上繼續(xù)檢驗(yàn)及敷設(shè)步驟，直到桿得到滿足地被放置在卷筒上；及處理樹(shù)脂完成該桿。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造空心公用電線桿的方法，其中確定厚度與直徑比是否滿足的步驟，是在繼續(xù)進(jìn)行該程序的其余步驟前。在所有的檢驗(yàn)站上完成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述制造的空心公用電線桿的方法，還包括以下步驟在作為該程序的任何其余步驟的結(jié)果確定出必須敷設(shè)任何另外的環(huán)后，在所有的檢驗(yàn)站上重新計(jì)算厚度與直徑比。
15.利用根據(jù)權(quán)利要求14的方法制造一種公用電線桿。
16.一種空心錐形公用電線桿，具有底部及頂部，所述桿包括至少一個(gè)從底部延伸到頂部的FRP環(huán)；至少一個(gè)另外的毗連第一環(huán)的從底部延伸到每個(gè)確定部位的FRP環(huán)，該部位由以下確定在所述部位上的厚度與直徑比；及施加在桿的每個(gè)所述部位上的應(yīng)力負(fù)載，它不超過(guò)在每個(gè)所述部位上的預(yù)定允許應(yīng)力。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的空心公用電線桿，其中所述應(yīng)力負(fù)載是根據(jù)施加于桿的懸臂負(fù)載確定的及所述厚度與直徑比是在每個(gè)所述部位桿的外徑與內(nèi)徑之間的差除以在每個(gè)所述部位桿的內(nèi)徑的值。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法制造的公用電線桿，其中如果預(yù)選的額定負(fù)載不小于設(shè)定破壞負(fù)載及額定負(fù)載不超過(guò)設(shè)定破壞負(fù)載一個(gè)預(yù)定安全裕量，則調(diào)節(jié)最大可接受應(yīng)力。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的公用電線桿，其中沿桿的每個(gè)所述部位的環(huán)數(shù)目是根據(jù)每個(gè)專門(mén)部位上最大允許應(yīng)力值來(lái)確定的，最大應(yīng)力值作為設(shè)定的破壞負(fù)載的結(jié)果是由包括施加于桿的負(fù)載及施加于桿的懸臂及柱的負(fù)載來(lái)確定的，而設(shè)定破壞負(fù)載是作為額定負(fù)載下計(jì)算的撓度結(jié)果設(shè)定的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空心錐形的纖維增強(qiáng)塑料公用電線桿的計(jì)算機(jī)模似設(shè)計(jì)及制造方法。所述方法包括沿桿的頂部至底部設(shè)置多個(gè)檢驗(yàn)站，根據(jù)檢測(cè)和計(jì)算結(jié)果，在桿上敷設(shè)樹(shù)脂涂層纖維增強(qiáng)束的環(huán)，使其滿足桿的厚度與直徑比等于或大于一個(gè)常數(shù)；滿足所需的抗應(yīng)力強(qiáng)度；及額定負(fù)載及設(shè)定的破環(huán)負(fù)載滿足安全裕量準(zhǔn)則等條件；根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的結(jié)果，將桿敷設(shè)在卷筒上，并對(duì)樹(shù)脂作處理。
文檔編號(hào)E04H12/02GK1112634SQ9411901
公開(kāi)日1995年11月29日 申請(qǐng)日期1994年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月9日
發(fā)明者格雷戈里·桑德·霍斯福德, 約翰·弗蘭克林·布澤三世, 小羅伯特·阿什利·波拉德, 小約翰·理查德·劉易斯 申請(qǐng)人:莎士比亞公司